JP3079097B1 - Field emission type electron source and method of manufacturing the same - Google Patents
Field emission type electron source and method of manufacturing the sameInfo
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Abstract
【要約】
【課題】電子を安定して高効率で放出できる低コストの
電界放射型電子源およびその製造方法を提供する。
【解決手段】ｎ形シリコン基板１の主表面側に強電界ド
リフト部６が形成され、強電界ドリフト部６上に金薄膜
よりなる表面電極７が形成されている。また、ｎ形シリ
コン基板１の裏面にはオーミック電極２が形成されてい
る。この電界放射型電子源１０では、表面電極７を真空
中に配置し、表面電極７をオーミック電極２に対して正
極として直流電圧を印加することにより、ｎ形シリコン
基板１から注入された電子が強電界ドリフト部６をドリ
フトし表面電極７を通して放出される。強電界ドリフト
部６は、導電性基板たるｎ形シリコン基板１の厚み方向
に直交する断面が網目状に形成され上記電子がドリフト
するドリフト部６１と、網目の中に満たされたドリフト
部６１よりも熱伝導性の良い放熱部６２とからなる。A low-cost field emission electron source capable of stably and efficiently emitting electrons and a method of manufacturing the same are provided. A strong electric field drift portion is formed on a main surface side of an n-type silicon substrate, and a surface electrode made of a gold thin film is formed on the strong electric field drift portion. An ohmic electrode 2 is formed on the back surface of the n-type silicon substrate 1. In this field emission type electron source 10, electrons injected from the n-type silicon substrate 1 are applied by placing the surface electrode 7 in a vacuum and applying a DC voltage with the surface electrode 7 as a positive electrode to the ohmic electrode 2. Drift in the strong electric field drift portion 6 and is emitted through the surface electrode 7. The strong electric field drift portion 6 is composed of a drift portion 61 in which a cross section orthogonal to the thickness direction of the n-type silicon substrate 1 serving as a conductive substrate is formed in a mesh shape and the electrons drift, and a drift portion 61 filled in the mesh. And a heat radiating portion 62 having good thermal conductivity.
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、半導体材料を用い
て電界放射により電子線を放射するようにした加熱を必
要としない電界放射型電子源およびその製造方法に関
し、特に平面型光源、フラットディスプレイ素子、固体
真空デバイスなどに応用することのできる電界放射型電
子源およびその製造方法に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a field emission type electron source which emits an electron beam by field emission using a semiconductor material and does not require heating, and more particularly to a flat type light source and a flat display. The present invention relates to a field emission type electron source applicable to devices, solid-state vacuum devices, and the like, and a method for manufacturing the same.
【０００２】[0002]
【従来の技術】従来より、電界放射型電子源として、例
えば米国特許３６６５２４１号などに開示されているい
わゆるスピント（Spindt）型電極と呼ばれるものがあ
る。このスピント型電極は、微小な三角錐状のエミッタ
チップを多数配置した基板と、エミッタチップの先端部
を露出させる放射孔を有するとともにエミッタチップに
対して絶縁された形で配置されたゲート層とを備え、真
空中にてエミッタチップをゲート層に対して負極として
高電圧を印加することにより、エミッタチップの先端か
ら放射孔を通して電子線を放射するものである。2. Description of the Related Art Conventionally, as a field emission type electron source, there is a so-called Spindt electrode disclosed in, for example, US Pat. No. 3,665,241. This Spindt-type electrode has a substrate on which a number of minute triangular pyramid-shaped emitter chips are arranged, a gate layer having a radiation hole for exposing the tip of the emitter chip, and being arranged insulated from the emitter chip. And applying a high voltage with the emitter tip as a negative electrode to the gate layer in a vacuum to emit an electron beam from the tip of the emitter tip through a radiation hole.
【０００３】しかしながら、スピント型電極は、製造プ
ロセスが複雑であるとともに、多数の三角錐状のエミッ
タチップを精度良く構成することが難しく、例えば平面
発光装置やディスプレイなどへ応用する場合に大面積化
が難しいという問題があった。また、スピント型電極
は、電界がエミッタチップの先端に集中するので、エミ
ッタチップの先端の周りの真空度が低くて残留ガスが存
在するような場合、放射された電子によって残留ガスが
プラスイオンにイオン化され、プラスイオンがエミッタ
チップの先端に衝突するから、エミッタチップの先端が
ダメージ（例えば、イオン衝撃による損傷）を受け、放
射される電子の電流密度や効率などが不安定になった
り、エミッタチップの寿命が短くなってしまうという問
題が生じる。したがって、スピント型電極では、この種
の問題の発生を防ぐために、高真空（１０-5Ｐａ〜１０
-6Ｐａ）で使用する必要があり、コストが高くなるとと
もに、取扱いが面倒になるという不具合があった。However, the Spindt-type electrode has a complicated manufacturing process, and it is difficult to accurately form a large number of triangular pyramid-shaped emitter chips. For example, the Spindt-type electrode has a large area when applied to a flat light emitting device or a display. There was a problem that was difficult. In the Spindt-type electrode, the electric field is concentrated at the tip of the emitter tip, so if the degree of vacuum around the tip of the emitter tip is low and residual gas is present, the emitted gas turns the residual gas into positive ions. Since the ions are ionized and the positive ions collide with the tip of the emitter tip, the tip of the emitter tip is damaged (for example, damage due to ion bombardment), and the current density and efficiency of emitted electrons become unstable. There is a problem that the life of the chip is shortened. Therefore, in the Spindt-type electrode, in order to prevent this kind of problem from occurring, a high vacuum (10 −5 Pa to 10 −5 Pa) is used.
-6 Pa), which is disadvantageous in that the cost increases and the handling becomes troublesome.
【０００４】この種の不具合を改善するために、ＭＩＭ
（Metal Insulator Metal)方式やＭＯＳ(Metal Oxid
e Semiconductor)型の電界放射型電子源が提案されて
いる。前者は金属−絶縁膜−金属、後者は金属−酸化膜
−半導体の積層構造を有する平面型の電界放射型電子源
である。しかしながら、このタイプの電界放射型電子源
において電子の放出効率を高めるためには（多くの電子
を放射させるためには）、上記絶縁膜や上記酸化膜の膜
厚を薄くする必要があるが、上記絶縁膜や上記酸化膜の
膜厚を薄くしすぎると、上記積層構造の上下の電極間に
電圧を印加した時に絶縁破壊を起こす恐れがあり、この
ような絶縁破壊を防止するためには上記絶縁膜や上記酸
化膜の膜厚の薄膜化に制約があるので、電子の放出効率
（引き出し効率）をあまり高くできないという不具合が
あった。In order to improve this kind of problem, MIM
(Metal Insulator Metal) method and MOS (Metal Oxid
e Semiconductor) type field emission electron sources have been proposed. The former is a flat field emission type electron source having a metal-insulating film-metal structure, and the latter is a metal-oxide film-semiconductor stacked structure. However, in order to increase the electron emission efficiency (to emit many electrons) in this type of field emission electron source, it is necessary to reduce the thickness of the insulating film or the oxide film. If the thickness of the insulating film or the oxide film is too thin, dielectric breakdown may occur when a voltage is applied between the upper and lower electrodes of the laminated structure. Since the thickness of the insulating film or the oxide film is limited, the electron emission efficiency (drawing efficiency) cannot be increased.
【０００５】また、近年では、特開平８−２５０７６６
号公報に開示されているように、シリコン基板などの単
結晶の半導体基板を用い、その半導体基板の主表面側の
全面を陽極酸化することにより多孔質半導体層（例え
ば、ポーラスシリコン層）を形成して、その多孔質半導
体層上に金属薄膜よりなる表面電極を形成し、半導体基
板と表面電極との間に電圧を印加して電子を放射させる
ように構成した電界放射型電子源（半導体冷電子放出素
子）が提案されている。In recent years, Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-250766
As disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open Publication No. H10-157, a porous semiconductor layer (for example, a porous silicon layer) is formed by using a single-crystal semiconductor substrate such as a silicon substrate and anodizing the entire surface on the main surface side of the semiconductor substrate. Then, a surface electrode made of a metal thin film is formed on the porous semiconductor layer, and a voltage is applied between the semiconductor substrate and the surface electrode so as to emit electrons. Electron-emitting device) has been proposed.
【０００６】[0006]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上述の
特開平８−２５０７６６号公報に記載の電界放射型電子
源では、電子放出時にいわゆるポッピング現象が発生し
やすいという不具合がある。電子放出時にポッピング現
象が発生する電界放射型電子源では、放出電子量にむら
が起こりやすいので、平面発光装置やディスプレイ装置
などに応用した場合に、発光むらができてしまうという
不具合がある。However, the field emission type electron source described in JP-A-8-250766 has a disadvantage that a so-called popping phenomenon is apt to occur during electron emission. In a field emission type electron source in which a popping phenomenon occurs at the time of electron emission, the amount of emitted electrons tends to be uneven. Therefore, when applied to a flat light emitting device, a display device, or the like, there is a problem that uneven light emission occurs.
【０００７】ところで、本発明者は、鋭意研究の結果、
上述の特開平８−２５０７６６号公報に記載の電界放射
型電子源では、単結晶シリコン基板の主表面側の全面を
多孔質化することにより形成された多孔質シリコン層が
電子の注入される強電界ドリフト層を構成しているの
で、強電界ドリフト層の熱伝導率がｎ形シリコン基板１
よりも低くて電界放射型電子源の断熱性が高く、電圧が
印加され電流が流れた場合の基板温度の上昇が比較的大
きいという知見を得た。さらに、該温度上昇により電子
が熱的に励起されるとともに単結晶半導体基板の抵抗が
下がり、電子の放出量が増えるので、これにより電子放
出時にポッピング現象が生じやすく、放出電子量にむら
が起こりやすいとの知見を得た。[0007] By the way, the present inventors have made intensive studies,
In the field emission type electron source described in JP-A-8-250766 described above, the porous silicon layer formed by making the entire surface of the single crystal silicon substrate on the main surface side porous has a strong electron injection capability. Since the electric field drift layer is formed, the thermal conductivity of the strong electric field drift layer is n-type silicon substrate 1
It has been found that the temperature is higher than that of the field emission type electron source, and that the substrate temperature rises relatively large when a voltage is applied and a current flows. Further, electrons are thermally excited by the temperature rise, and the resistance of the single crystal semiconductor substrate is decreased, and the amount of emitted electrons is increased. Therefore, a popping phenomenon is likely to occur at the time of emitting electrons, and the amount of emitted electrons becomes uneven. I found that it was easy.
【０００８】本発明は上記事由に鑑みて為されたもので
あり、その目的は、電子を安定して高効率で放出できる
低コストの電界放射型電子源およびその製造方法を提供
することにある。The present invention has been made in view of the above circumstances, and it is an object of the present invention to provide a low-cost field emission type electron source capable of stably and efficiently emitting electrons and a method of manufacturing the same. .
【０００９】[0009]
【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、上記
目的を達成するために、導電性基板と、導電性基板の一
表面側に形成された強電界ドリフト部と、該強電界ドリ
フト部上に形成された金属薄膜よりなる表面電極とを備
え、表面電極を導電性基板に対して正極として直流電圧
を印加することにより導電性基板から注入された電子が
強電界ドリフト部をドリフトし表面電極を通して放出さ
れる電界放射型電子源であって、強電界ドリフト部は、
導電性基板の厚み方向に直交する断面が網目状に形成さ
れ、該網目状の網の部分に形成され上記電子がドリフト
するドリフト部と、網目状の網目の中に満たされドリフ
ト部よりも熱伝導性の良い放熱部とからなることを特徴
とするものであり、強電界ドリフト部ではドリフト部で
発生した熱が放熱部を通して放熱されるので、電子放出
時にポッピング現象が発生せず安定して高効率で電子を
放出することができる。According to a first aspect of the present invention, there is provided a conductive substrate, a strong electric field drift portion formed on one surface side of the conductive substrate, and the strong electric field drift. A surface electrode made of a metal thin film formed on the portion, and applying a DC voltage with the surface electrode being a positive electrode with respect to the conductive substrate, electrons injected from the conductive substrate drift in the strong electric field drift portion. A field emission electron source emitted through the surface electrode, wherein the strong electric field drift portion
The cross section perpendicular to the thickness direction of the conductive substrate is formed in a mesh.
Is characterized in that it consists a drift region where the electrons are formed in a portion of the net-th-shaped net is drifting, filled into the mesh of the net-th good heat radiating portion thermal conductivity than the drift portion In the strong electric field drift section, since heat generated in the drift section is radiated through the heat radiating section, electrons can be stably emitted with high efficiency without generating a popping phenomenon at the time of electron emission.
【００１０】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、上記ドリフト部は、導電性基板の厚み方向において
多孔度の異なる層が交互に積層された層よりなるので、
電子放出効率を高めることができる。[0010] According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the drift portion is formed of layers in which layers having different porosity are alternately stacked in the thickness direction of the conductive substrate.
Electron emission efficiency can be increased.
【００１１】請求項３の発明は、請求項１の発明におい
て、上記ドリフト部は、導電性基板の厚み方向において
多孔度が連続的に変化した層よりなるので、電子放出効
率を高めることができる。According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the drift portion is made of a layer whose porosity changes continuously in the thickness direction of the conductive substrate, so that the electron emission efficiency can be increased. .
【００１２】請求項４の発明は、請求項１ないし請求項
３の発明において、上記網目は、微小な多角形状である
ことを特徴とする。According to a fourth aspect of the present invention, in the first to third aspects, the mesh has a minute polygonal shape.
【００１３】請求項５の発明は、請求項１ないし請求項
３の発明において、上記網目は、微小な円状であること
を特徴とする。According to a fifth aspect of the present invention, in the first to third aspects of the present invention, the mesh is a minute circle.
【００１４】請求項６の発明は、請求項１ないし請求項
５の発明において、上記放熱部は、シリコン若しくはシ
リコンカーバイドの単結晶が酸化された層よりなるの
で、放熱部が高熱伝導性および電気絶縁性を有し放熱性
が向上する。According to a sixth aspect of the present invention, in the first to fifth aspects of the present invention, the heat radiating portion is formed of a layer in which a single crystal of silicon or silicon carbide is oxidized. Has insulating properties and improves heat dissipation.
【００１５】請求項７の発明は、請求項１ないし請求項
５の発明において、上記放熱部は、シリコン若しくはシ
リコンカーバイドの多結晶が酸化された層よりなるの
で、放熱部が高熱伝導性および電気絶縁性を有し放熱性
が向上する。According to a seventh aspect of the present invention, in the first to fifth aspects of the present invention, the heat radiating portion is made of a layer in which polycrystalline silicon or silicon carbide is oxidized. Has insulating properties and improves heat dissipation.
【００１６】請求項８の発明は、請求項１ないし請求項
５の発明において、上記放熱部は、シリコン若しくはシ
リコンカーバイドのアモルファスが酸化された層よりな
るので、放熱部が高熱伝導性および電気絶縁性を有し放
熱性が向上する。According to an eighth aspect of the present invention, in the first to fifth aspects of the present invention, the heat radiating portion is made of a layer obtained by oxidizing silicon or amorphous silicon carbide, so that the heat radiating portion has high thermal conductivity and electrical insulation. And heat dissipation is improved.
【００１７】請求項９の発明は、請求項１ないし請求項
８の発明において、上記導電性基板は、上記一表面に導
電性薄膜が形成された基板からなるので、導電性基板と
して単結晶シリコン基板などの半導体基板を用いる場合
に比べて大面積化および低コスト化が可能となる。According to a ninth aspect of the present invention, in the first to eighth aspects of the present invention, the conductive substrate is a substrate having a conductive thin film formed on one surface thereof. A larger area and lower cost can be achieved as compared with a case where a semiconductor substrate such as a substrate is used.
【００１８】請求項１０の発明は、請求項１ないし請求
項３のいずれかに記載の電界放射型電子源の製造方法で
あって、導電性基板の一表面側の半導体部の一部を厚み
方向に沿って陽極酸化により多孔質化し、その後、半導
体部および多孔質化された半導体部を酸化することによ
り放熱部およびドリフト部を形成し、次いで、ドリフト
部と放熱部とからなる強電界ドリフト部上に金属薄膜よ
りなる表面電極を形成することを特徴とし、導電性基板
の一表面側の半導体部の一部を多孔質化した後に酸化を
行うことによりドリフト部と放熱部とを同じ半導体材料
から形成することができ、ドリフト部と放熱部とを最初
から別々に形成する必要がなくドリフト部と放熱部との
パターン形状の制御が容易で、電子放出時にポッピング
現象が発生せず安定して高効率で電子を放出することが
可能な電界放射型電子源を低コストで実現することがで
きる。According to a tenth aspect of the present invention, there is provided the method of manufacturing a field emission type electron source according to any one of the first to third aspects, wherein a part of the semiconductor portion on one surface side of the conductive substrate is formed to have a thickness. A porous body is formed by anodic oxidation along the direction, and then a heat dissipation part and a drift part are formed by oxidizing the semiconductor part and the porous semiconductor part, and then a strong electric field drift composed of the drift part and the heat dissipation part A surface electrode made of a metal thin film is formed on the part, and a part of the semiconductor part on one surface side of the conductive substrate is made porous and then oxidized to make the drift part and the heat radiation part the same semiconductor. Since it is possible to form the drift portion and the heat radiating portion separately from the beginning, it is easy to control the pattern shape of the drift portion and the heat radiating portion, and the popping phenomenon does not occur at the time of electron emission, so that it is safe. Was a high efficiency capable of emitting electrons in a field emission electron source can be realized at low cost.
【００１９】請求項１１の発明は、請求項１０の発明に
おいて、上記陽極酸化を行う際に、半導体部上へ厚み方
向に直交する断面が微小な多角形状のマスクを放熱部の
形成予定領域に合わせて設けた後に陽極酸化を行うの
で、導電性基板の一表面側の半導体部のうちドリフト部
に対応する部分のみを陽極酸化により多孔質化すること
ができる。According to an eleventh aspect of the present invention, in the tenth aspect of the present invention, when performing the anodic oxidation, a mask having a polygonal shape having a small cross section orthogonal to the thickness direction is formed on the semiconductor portion in a region where the heat radiation portion is to be formed. Since anodic oxidation is performed after being provided together, only the portion corresponding to the drift portion in the semiconductor portion on one surface side of the conductive substrate can be made porous by anodic oxidation.
【００２０】請求項１２の発明は、請求項１０の発明に
おいて、上記陽極酸化を行う際に、半導体部上へ厚み方
向に直交する断面が微小な円状のマスクを放熱部の形成
予定領域に合わせて設けた後に陽極酸化を行うので、導
電性基板の一表面側の半導体部のうちドリフト部に対応
する部分のみを陽極酸化により多孔質化することができ
る。According to a twelfth aspect of the present invention, in the tenth aspect of the present invention, when performing the anodic oxidation, a circular mask having a small cross section orthogonal to the thickness direction is formed on the semiconductor portion in a region where the heat radiation portion is to be formed. Since anodic oxidation is performed after being provided together, only the portion corresponding to the drift portion in the semiconductor portion on one surface side of the conductive substrate can be made porous by anodic oxidation.
【００２１】請求項１３の発明は、請求項１０の発明に
おいて、上記陽極酸化を行う際に、導電性基板の上記一
表面に垂直な方向における半導体部の多孔質化の速度が
他方向に比べ十分に高くなるように導電性基板に磁界を
印加するので、多孔質化の速度の異方性が高められ、つ
まり、上記多孔質化した後の酸化によりドリフト部とな
る部分の陽極酸化時の多孔質層形成速度の異方性が高め
られるから、ドリフト部の平面および深さ方向の形状の
制御性が向上し放熱部およびドリフト部の微細なパター
ンを深さ方向の制御性良く形成することができる。According to a thirteenth aspect of the present invention, in the tenth aspect of the present invention, when performing the anodic oxidation, the speed of making the semiconductor portion porous in a direction perpendicular to the one surface of the conductive substrate is higher than that in the other direction. Since the magnetic field is applied to the conductive substrate so as to be sufficiently high, the anisotropy of the speed of making porous is increased, that is, the portion which becomes the drift portion due to the oxidation after the above-mentioned making porous is anodized during the anodic oxidation. Since the anisotropy of the formation rate of the porous layer is increased, the controllability of the shape of the drift portion in the plane and the depth direction is improved, and the fine pattern of the heat radiation portion and the drift portion is formed with good controllability in the depth direction. Can be.
【００２２】[0022]
【発明の実施の形態】図１に本実施形態の電界放射型電
子源１０の概略構成図を、図２（ａ）〜（ｃ）に電界放
射型電子源１０の製造方法における主要工程断面図を示
す。なお、本実施形態では、導電性基板として抵抗率が
導体の抵抗率に比較的近い単結晶のｎ形シリコン基板１
（例えば、抵抗率が略０．１Ωｃｍの（１００）基板）
を用いている。FIG. 1 is a schematic structural view of a field emission type electron source 10 of the present embodiment, and FIGS. 2 (a) to 2 (c) are cross-sectional views of main steps in a method of manufacturing the field emission type electron source 10. Is shown. In this embodiment, a single-crystal n-type silicon substrate 1 having a resistivity relatively close to that of a conductor is used as a conductive substrate.
(For example, a (100) substrate having a resistivity of about 0.1 Ωcm)
Is used.
【００２３】本実施形態の電界放射型電子源１０は、図
１に示すように、ｎ形シリコン基板１の主表面側に強電
界ドリフト部６が形成され、強電界ドリフト部６上に金
薄膜よりなる表面電極７が形成されている。また、ｎ形
シリコン基板１の裏面にはオーミック電極２が形成され
ている。As shown in FIG. 1, in the field emission type electron source 10 of the present embodiment, a strong electric field drift portion 6 is formed on the main surface side of an n-type silicon substrate 1, and a thin gold film is formed on the strong electric field drift portion 6. The surface electrode 7 is formed. An ohmic electrode 2 is formed on the back surface of the n-type silicon substrate 1.
【００２４】この電界放射型電子源１０では、表面電極
７を真空中に配置するとともに表面電極７に対向してコ
レクタ電極（図示せず）を配置し、表面電極７をオーミ
ック電極２に対して正極として直流電圧を印加するとと
もに、コレクタ電極を表面電極７に対して正極として直
流電圧を印加することにより、ｎ形シリコン基板１から
強電界ドリフト部６へ注入された電子が強電界ドリフト
部６をドリフトし表面電極７を通して放出される。ここ
において、表面電極７とオーミック電極２との間に流れ
る電流をダイオード電流と称し、コレクタ電極と表面電
極７との間に流れる電流を放出電子電流と称し、ダイオ
ード電流に対する放出電子電流が大きいほど電子の放出
効率が高くなる。なお、本実施形態の電界放射型電子源
１０では、表面電極７とオーミック電極２との間の直流
電圧を１０〜２０Ｖ程度の低電圧としても電子を放出さ
せることができる。In the field emission type electron source 10, the surface electrode 7 is disposed in a vacuum, a collector electrode (not shown) is disposed opposite the surface electrode 7, and the surface electrode 7 is connected to the ohmic electrode 2. By applying a DC voltage as a positive electrode and applying a DC voltage as a collector electrode to the surface electrode 7 as a positive electrode, electrons injected from the n-type silicon substrate 1 into the strong electric field drift portion 6 And is emitted through the surface electrode 7. Here, the current flowing between the surface electrode 7 and the ohmic electrode 2 is referred to as a diode current, and the current flowing between the collector electrode and the surface electrode 7 is referred to as an emission electron current. The electron emission efficiency increases. In the field emission type electron source 10 of the present embodiment, electrons can be emitted even when the DC voltage between the surface electrode 7 and the ohmic electrode 2 is set to a low voltage of about 10 to 20 V.
【００２５】本実施形態における強電界ドリフト部６
は、導電性基板たるｎ形シリコン基板１の厚み方向に直
交する断面が網目状に形成され、該網目状の網の部分に
形成され上記電子がドリフトするドリフト部６１と、網
目状の網目の中に満たされドリフト部６１よりも熱伝導
性の良い放熱部６２とからなる。要するに、放熱部６２
は、ｎ形シリコン基板１の厚み方向に平行な角柱状に形
成されている。ここにおいて、ドリフト部６１は、酸化
された多孔質シリコン（ポーラスシリコン）よりなり、
放熱部６２は、酸化された単結晶シリコンよりなる。The strong electric field drift section 6 in this embodiment
The conductive substrate serving n-type cross section perpendicular to the thickness direction of the silicon substrate 1 is formed in a mesh shape, a part of the net-th-shaped net
It is formed between the drift portion 61 which the electrons drift nets
A thermally conductive good heat radiating portion 62 than the drift portion 61 filled in the eye-shaped net eyes. In short, the radiator 62
Are formed in the shape of a prism parallel to the thickness direction of the n-type silicon substrate 1. Here, the drift portion 61 is made of oxidized porous silicon (porous silicon).
The heat radiation part 62 is made of oxidized single crystal silicon.
【００２６】しかして、本実施形態の電界放射型電子源
１０では、ドリフト部６１で発生した熱が放熱部６２を
通して放熱されるので、電子放出時にポッピング現象が
発生せず安定して高効率で電子を放出することができ
る。In the field emission type electron source 10 according to the present embodiment, since the heat generated in the drift portion 61 is radiated through the heat radiating portion 62, a popping phenomenon does not occur at the time of electron emission, and the electron emission is stable and highly efficient. It can emit electrons.
【００２７】以下、製造方法について図２を参照しなが
ら説明する。Hereinafter, the manufacturing method will be described with reference to FIG.
【００２８】まず、ｎ形シリコン基板１の裏面にオーミ
ック電極２を形成した後、ｎ形シリコン基板１の主表面
上にフォトレジストを塗布し、図３に示すようなフォト
マスクＭを利用し上記フォトレジストをパターニングす
ることによってレジストマスク３を形成することにより
図２（ａ）に示すような構造が得られる。ここに、フォ
トマスクＭは、レジストマスク３の平面形状が微小な
（例えば、０．１μｍオーダの）略正方形になるように
構成されているが、レジストマスク３の平面形状が正方
形以外の微小な多角形状、微小な円形状、微小な星形な
どになるように構成してもよい。First, after the ohmic electrode 2 is formed on the back surface of the n-type silicon substrate 1, a photoresist is applied on the main surface of the n-type silicon substrate 1, and the above-described photomask M is used as shown in FIG. By forming the resist mask 3 by patterning the photoresist, a structure as shown in FIG. 2A is obtained. Here, the photomask M is configured such that the planar shape of the resist mask 3 is minute (for example, on the order of 0.1 μm) and substantially square, but the planar shape of the resist mask 3 is minute other than square. It may be configured to have a polygonal shape, a minute circular shape, a minute star shape, or the like.
【００２９】次に、５５ｗｔ％のフッ化水素水溶液とエ
タノールとを略１：１で混合した混合液よりなる電解液
を用い、白金電極（図示せず）を負極、ｎ形シリコン基
板１（オーミック電極２）を正極として、ｎ形シリコン
基板１の主表面側に光照射を行いながら定電流で陽極酸
化処理を行うことによって、ｎ形シリコン基板１の主表
面側においてレジストマスク３で覆われていない部分が
多孔質化されて多孔質シリコンよりなる多孔質層１１が
形成され図２（ｂ）に示すような構造が得られる。ここ
に、図２（ｂ）中の１２はｎ形シリコン基板１の一部よ
りなる半導体層を示す。この半導体層１２は、四角柱状
に形成される。なお、本実施形態では、陽極酸化処理の
条件として、電流密度を１０ｍＡ／ｃｍ2一定、陽極酸
化時間を３０秒とするとともに、陽極酸化中に５００Ｗ
のタングステンランプによりｎ形シリコン基板１の主表
面側に光照射を行ったが、この条件は一例であって特に
限定されるものではない。要するに、本実施形態では、
ｎ形シリコン基板１の主表面側の部分が半導体部を兼ね
ている。Next, a platinum electrode (not shown) was used as a negative electrode, an n-type silicon substrate 1 (an ohmic solution) was used by using an electrolytic solution consisting of a mixture of a 55 wt% aqueous hydrogen fluoride solution and ethanol in a ratio of about 1: 1. The main surface of the n-type silicon substrate 1 is covered with a resist mask 3 by performing anodizing treatment with a constant current while irradiating light to the main surface of the n-type silicon substrate 1 with the electrode 2) as a positive electrode. The non-existing portion is made porous to form a porous layer 11 made of porous silicon, and a structure as shown in FIG. 2B is obtained. Here, reference numeral 12 in FIG. 2B denotes a semiconductor layer formed by a part of the n-type silicon substrate 1. This semiconductor layer 12 is formed in a quadrangular prism shape. In this embodiment, the conditions of the anodic oxidation treatment are as follows: the current density is constant at 10 mA / cm 2 , the anodic oxidation time is 30 seconds, and 500 W during the anodic oxidation.
The main surface of the n-type silicon substrate 1 was irradiated with light using the tungsten lamp described above, but this condition is an example and is not particularly limited. In short, in this embodiment,
The portion on the main surface side of the n-type silicon substrate 1 also serves as a semiconductor portion.
【００３０】次に、急速熱酸化（ＲＴＯ：Rapid Therm
al Oxidation）技術によって多孔質層１１および半導
体層１２の急速熱酸化を行うことによって強電界ドリフ
ト部６が形成され、続いて、強電界ドリフト部６上に金
薄膜からなる表面電極７を例えば蒸着によって形成する
ことにより図２（ｃ）に示す構造が得られる。ここに、
図２（ｃ）における６１は急速熱酸化された多孔質層１
１であって上述のドリフト部６１に対応し、６２は急速
熱酸化された半導体層１２であって上述の放熱部６２に
対応する。つまり、図２（ｃ）におけるドリフト部６１
と放熱部６２とで強電界ドリフト部６を構成している。
急速熱酸化の条件としては、酸化温度を９００℃、酸化
時間を１時間とした。また、表面電極７の膜厚は略１０
ｎｍとしたが、この膜厚は特に限定するものではなく、
表面電極７となる金属薄膜（例えば、金薄膜）の形成方
法も蒸着に限定されるものではなく、例えばスパッタ法
を用いてもよい。なお、電界放射型電子源１０は表面電
極７を正極（アノード）とし、オーミック電極２を負極
（カソード）とするダイオードが構成される。この正極
と負極との間に直流電圧を印加したときに流れる電流が
ダイオード電流である。Next, rapid thermal oxidation (RTO: Rapid Therm)
al Oxidation) technique, the porous layer 11 and the semiconductor layer 12 are subjected to rapid thermal oxidation to form a strong electric field drift portion 6, and then a surface electrode 7 made of a gold thin film is deposited on the strong electric field drift portion 6, for example. Thus, the structure shown in FIG. 2C is obtained. here,
2 (c), a rapidly thermally oxidized porous layer 61 is shown.
Reference numeral 1 corresponds to the drift portion 61 described above, and reference numeral 62 denotes the semiconductor layer 12 which has been rapidly thermally oxidized and corresponds to the heat dissipation portion 62 described above. That is, the drift portion 61 in FIG.
The heat dissipation part 62 constitutes the strong electric field drift part 6.
The conditions for rapid thermal oxidation were an oxidation temperature of 900 ° C. and an oxidation time of 1 hour. The thickness of the surface electrode 7 is approximately 10
The thickness was not particularly limited.
The method of forming the metal thin film (for example, a gold thin film) to be the surface electrode 7 is not limited to the vapor deposition, but may be, for example, a sputtering method. The field emission electron source 10 has a diode in which the surface electrode 7 is a positive electrode (anode) and the ohmic electrode 2 is a negative electrode (cathode). The current flowing when a DC voltage is applied between the positive electrode and the negative electrode is a diode current.
【００３１】なお、上述の製造方法により製造された電
界放射型電子源１０は、放出電子電流の経時変化が少な
くてポッピングノイズがなく、電子が安定して高効率で
放出された。また、この電界放射型電子源１０は、電子
放出特性（例えば、電子放出電流）の真空度依存性が小
さく、低真空度でも良好な電子放出特性が得られたの
で、従来のような高真空で使用する必要がないから、電
界放射型電子源１０を利用する装置の低コスト化が図れ
るとともに取り扱いが容易になる。In the field emission type electron source 10 manufactured by the above-described manufacturing method, the emitted electron current has little change with time, there is no popping noise, and electrons are stably emitted with high efficiency. In addition, the field emission type electron source 10 has a small degree of vacuum dependence of electron emission characteristics (for example, electron emission current), and has good electron emission characteristics even at a low vacuum degree. Therefore, the cost of the apparatus using the field emission electron source 10 can be reduced and the handling can be facilitated.
【００３２】ところで、本実施形態の電界放射型電子源
１０は、その製造方法においてｎ形シリコン基板１（半
導体部）上にレジストマスク３を設けた後に、陽極酸化
処理を施すので、ｎ形シリコン基板１の多孔質化はｎ形
シリコン基板１の主表面のうち露出した領域で深さ方向
に進行していく。したがって、本実施形態の電界放射型
電子源１０における強電界ドリフト部６は、電気伝導性
の制御性および構造的・熱的安定性からみれば、従来の
ように単結晶シリコン基板の主表面側の全面を多孔質化
することにより得られた強電界ドリフト層よりも優れた
性質をもつと考えられる。The field emission type electron source 10 of the present embodiment is provided with an anodic oxidation treatment after providing a resist mask 3 on an n-type silicon substrate 1 (semiconductor portion) in the manufacturing method. The porosity of the substrate 1 proceeds in the depth direction in an exposed region of the main surface of the n-type silicon substrate 1. Therefore, in view of the controllability of electrical conductivity and the structural and thermal stability, the strong electric field drift portion 6 in the field emission type electron source 10 of the present embodiment is different from the conventional one in the main surface side of the single crystal silicon substrate. Is considered to have properties superior to those of the strong electric field drift layer obtained by making the entire surface porous.
【００３３】すなわち、本実施形態の電界放射型電子源
１０では、次のようなモデルで電子放出が起こると考え
られる。表面電極７をｎ形シリコン基板１（オーミック
電極２）に対して正極として印加する直流電圧が所定値
（臨界値）に達すると、ｎ形シリコン基板１側から強電
界ドリフト部６へ熱的励起により電子が注入される。一
方、強電界ドリフト部６のドリフト部６１には、量子閉
じ込め効果が現れるナノメータオーダの微結晶シリコン
層が多数存在しこの微結晶シリコン層の表面には微結晶
シリコン層の結晶粒径よりも小さな膜厚のシリコン酸化
膜が形成されていると考えられる。したがって、強電界
ドリフト部６に印加された電界はほとんど微結晶シリコ
ン層の表面に形成されたシリコン酸化膜にかかるから、
注入された電子は当該シリコン酸化膜にかかっている強
電界により加速されドリフト部６１内を表面に向かって
ドリフトする。ここに、電子のドリフト長は微結晶シリ
コン層の粒径に比べて非常に大きいのでほとんど衝突を
起こすことなくドリフト部６１の表面に到達する。ドリ
フト部６１の表面に到達した電子はホットエレクトロン
であって、ホットエレクトロンは熱平衡状態よりも数ｋ
Ｔ以上のエネルギを有するので、強電界ドリフト部６の
最表面の酸化層を介して表面電極７を容易にトンネルし
真空中に放出される。That is, in the field emission type electron source 10 of the present embodiment, it is considered that electron emission occurs in the following model. When the DC voltage applied to the surface electrode 7 as a positive electrode with respect to the n-type silicon substrate 1 (the ohmic electrode 2) reaches a predetermined value (critical value), thermal excitation from the n-type silicon substrate 1 side to the strong electric field drift portion 6 is performed. To inject electrons. On the other hand, in the drift portion 61 of the strong electric field drift portion 6, a large number of nanometer-order microcrystalline silicon layers exhibiting a quantum confinement effect are present, and the surface of the microcrystalline silicon layer is smaller than the crystal grain size of the microcrystalline silicon layer. It is considered that a silicon oxide film having a thickness is formed. Therefore, most of the electric field applied to the strong electric field drift portion 6 is applied to the silicon oxide film formed on the surface of the microcrystalline silicon layer.
The injected electrons are accelerated by the strong electric field applied to the silicon oxide film and drift inside the drift portion 61 toward the surface. Here, the drift length of the electrons reaches the surface of the drift portion 61 with almost no collision because the drift length of the electrons is much larger than the particle diameter of the microcrystalline silicon layer. The electrons reaching the surface of the drift portion 61 are hot electrons, and the hot electrons are several k higher than the thermal equilibrium state.
Since it has an energy of T or more, the surface electrode 7 is easily tunneled through the oxide layer on the outermost surface of the strong electric field drift portion 6 and is discharged into a vacuum.
【００３４】ところで、本実施形態の電界放射型電子源
１０では、ポッピングノイズが発生せずに高効率で安定
して電子を放出することができるが、これは、電圧の印
加により強電界ドリフト部６のドリフト部６１に発生し
た熱が放熱部６２を伝導して外部に放出され、温度上昇
が抑制されるからであると推考される。In the field emission type electron source 10 of the present embodiment, electrons can be stably emitted with high efficiency without generation of popping noise. It is presumed that the heat generated in the drift portion 61 of the No. 6 is conducted to the outside through the heat radiating portion 62 and the temperature rise is suppressed.
【００３５】以上をまとめると、強電界ドリフト部６
は、強電界が存在しうる半絶縁性を備え、また、電子散
乱が少なくドリフト長が大きく、さらに、ダイオード電
流の熱暴走を抑えるだけの熱伝導率を有するので、高効
率で安定して電子を放出することができるのだと考えら
れる。In summary, the strong electric field drift section 6
Has a semi-insulating property in which a strong electric field can exist, has a small drift of electrons, has a large drift length, and has a thermal conductivity sufficient to suppress thermal runaway of the diode current, so that electrons can be stably provided with high efficiency. Can be released.
【００３６】上述のようなホットエレクトロンのトンネ
リングによる電子放出の機構を支持する事項として、
表面での強電界効果、電子のドリフト長、それぞれに
ついて説明する。 表面での強電界効果 従来例で説明したｎ形単結晶シリコン基板の主表面側の
全面に陽極酸化処理を施して多孔質シリコン層よりなる
強電界ドリフト層を形成したものでは、冷電子放出まで
至らない低電圧領域においてまずエレクトロルミネセン
ス（以下、ＥＬと称す）発光が観測される。この発光機
構を考えると、基板はｎ形であることから、電子が発光
再結合するために必要なホールの発生がどのような機構
で起こるかが問題となる。ホールの生成機構としては、
ＥＬ発光特性の解析から、微結晶シリコン層の価電子帯
から隣接した微結晶シリコン層の伝導帯への電子トンネ
リング、および衝突電離による電子なだれ、の２つの過
程が提案されている（T.Oguro et al,J.Appl.Phys.81
(1997)1407-1412）。As a matter to support the mechanism of electron emission by the tunneling of hot electrons as described above,
Each of the strong electric field effect on the surface and the drift length of electrons will be described. Strong electric field effect on the surface In the case where the strong electric field drift layer consisting of a porous silicon layer is formed by performing anodizing treatment on the entire main surface side of the n-type single crystal silicon substrate described in First, electroluminescence (hereinafter, referred to as EL) light emission is observed in a low voltage region that does not reach. Considering this light-emitting mechanism, since the substrate is n-type, there is a problem in what mechanism the generation of holes required for the light-emitting recombination of electrons occurs. The hole generation mechanism is
From analysis of EL emission characteristics, two processes of electron tunneling from a valence band of a microcrystalline silicon layer to a conduction band of an adjacent microcrystalline silicon layer and electron avalanche by impact ionization have been proposed (T. Oguro). et al, J. Appl. Phys. 81
(1997) 1407-1412).
【００３７】これらの２つの過程はいずれも強電界の存
在によってはじめて生じうる効果である。また、印加電
界によるＰＬクエンチングの励起波長依存性の測定結果
に基づく見積もりによれば、ＥＬ発光時の多孔質シリコ
ンダイオードでは、１０6Ｖ／ｃｍ程度の強電界が多孔
質シリコン層の表面から数百ｎｍの深さまでの比較的浅
い領域に存在している。電子放出はＥＬよりもさらに高
い印加電圧から始まるので、電子放出にはホットエレク
トロンが関与していると考えられる。Each of these two processes is an effect that can be produced only by the presence of a strong electric field. According to the estimation based on the measurement result of the excitation wavelength dependence of PL quenching by the applied electric field, in the porous silicon diode at the time of EL emission, a strong electric field of about 10 6 V / cm is generated from the surface of the porous silicon layer. It exists in a relatively shallow region up to a depth of several hundred nm. Since electron emission starts from an applied voltage higher than EL, it is considered that hot electrons are involved in electron emission.
【００３８】これに対し、本実施形態では、ＲＴＯ処理
によって酸化層が強電界ドリフト部６の表面側に特に集
中して形成されているので、表面付近で生じる強電界が
ホットエレクトロンの生成とトンネル放出を引き起こし
ていると考えられる。 電子のドリフト長 多孔質シリコン層の光導電効果に関連したキャリア飛行
時間（time-of-flight:TOF）測定の結果によれば、強電
界下（１０5Ｖ／ｃｍ）にある多孔質シリコン層内のキ
ャリアのドリフト長は約１μｍにも及ぶことが報告され
ている（R.Sedlacik et al,Thin Solid Films 255
(1993)269-271）。これは多孔質シリコン層中の微結晶
シリコン層のサイズをはるかに超える値であり、伝導電
子が容易にホット化しうることを意味する。要するに、
多孔質シリコン層中の電子伝導を支配しているは単結晶
シリコン構造そのものではなく、強電界が存在する微結
晶シリコン層の表面層ないし微結晶シリコン層間の薄い
シリコン酸化膜などの界面組織であるといえる。On the other hand, in the present embodiment, since the oxide layer is formed particularly concentrated on the surface side of the strong electric field drift portion 6 by the RTO process, the strong electric field generated near the surface causes generation of hot electrons and tunneling. Probably causing release. Electron drift length According to the time-of-flight (TOF) measurement related to the photoconductive effect of the porous silicon layer, the porous silicon layer under a strong electric field (10 5 V / cm) It has been reported that the drift length of the carrier in the substrate is as large as about 1 μm (R. Sedlacik et al, Thin Solid Films 255
(1993) 269-271). This is a value far exceeding the size of the microcrystalline silicon layer in the porous silicon layer, and means that the conduction electrons can easily become hot. in short,
It is not the single crystal silicon structure itself that governs the electron conduction in the porous silicon layer, but the surface structure of the microcrystalline silicon layer where a strong electric field exists or the interface structure such as a thin silicon oxide film between the microcrystalline silicon layers. It can be said that.
【００３９】したがって、上述の，からも本実施形
態の電界放射型電子源１０では、ホットエレクトロンの
トンネリングにより電子が放出されるものと考えられ
る。Therefore, it is considered that the above-described field emission type electron source 10 of the present embodiment emits electrons by hot electron tunneling.
【００４０】ところで、本実施形態では、上述のよう
に、ｎ形シリコン基板１の主表面側の部分が半導体部を
兼ねており、この半導体部に陽極酸化処理を施している
が、半導体部として、ｎ形シリコン基板１上に単結晶シ
リコン、多結晶シリコン、アモルファスシリコン、単結
晶シリコンカーバイド（ＳｉＣ）、多結晶シリコンカー
バイド、アモルファスシリコンカーバイドのいずれかを
積層して陽極酸化処理を施してもよい。また、導電性基
板はｎ形シリコン基板に限定されるものではなく、例え
ば、クロムなどの金属基板や、ガラス基板などに透明導
電性薄膜（例えば、ＩＴＯ：Indium Tin Oxide）や白
金やクロムなどの導電性膜を形成した基板などを用いて
もよく、ｎ形シリコン基板などの半導体基板を用いる場
合に比べて大面積化及び低コスト化が可能になる。ここ
において、多結晶シリコンの成膜は、導電性基板が半導
体基板の場合にはＬＰＣＶＤ法やスパッタ法により行っ
てもよいし、あるいは、プラズマＣＶＤ法によってアモ
ルファスシリコンを成膜した後にアニール処理を行うこ
とにより結晶化させてもよい。また、導電性基板がガラ
ス基板に導電性薄膜を形成した基板の場合には、ＣＶＤ
法によって導電性薄膜上にアモルファスシリコンを成膜
した後エキシマレーザでアニールすることにより、多結
晶シリコンをを形成してもよい。また、導電性薄膜上に
多結晶シリコンを形成する方法はＣＶＤ法に限定される
ものではなく、例えばＣＧＳ（Continuous Grain Sil
icon）法や触媒ＣＶＤ法などを用いてもよい。多結晶シ
リコンをＣＶＤ法などにより基板上に堆積させる場合、
堆積されるポリシリコン層は基板のオリエンテーション
が強く影響するので、多結晶シリコン層を単結晶シリコ
ン（１００）基板以外の基板上に堆積させる場合には、
基板の主表面に対して垂直方向へ柱状に成長する堆積条
件を設定すればよい。In this embodiment, as described above, the portion on the main surface side of the n-type silicon substrate 1 also serves as a semiconductor portion, and this semiconductor portion is subjected to anodic oxidation treatment. Any one of single crystal silicon, polycrystalline silicon, amorphous silicon, single crystal silicon carbide (SiC), polycrystalline silicon carbide, and amorphous silicon carbide may be stacked on n-type silicon substrate 1 and subjected to anodizing treatment. . Further, the conductive substrate is not limited to an n-type silicon substrate. For example, a transparent conductive thin film (for example, ITO: Indium Tin Oxide) or platinum or chrome A substrate on which a conductive film is formed may be used, and a larger area and lower cost can be achieved as compared with a case where a semiconductor substrate such as an n-type silicon substrate is used. Here, the polycrystalline silicon film may be formed by an LPCVD method or a sputtering method when the conductive substrate is a semiconductor substrate, or an annealing treatment is performed after forming an amorphous silicon film by a plasma CVD method. In this case, crystallization may be performed. When the conductive substrate is a glass substrate on which a conductive thin film is formed, CVD is used.
Polycrystalline silicon may be formed by forming amorphous silicon on a conductive thin film by a method and annealing the film with an excimer laser. Further, the method of forming polycrystalline silicon on the conductive thin film is not limited to the CVD method. For example, CGS (Continuous Grain Sil
icon) method or a catalytic CVD method. When polycrystalline silicon is deposited on a substrate by a CVD method or the like,
When a polycrystalline silicon layer is deposited on a substrate other than a single crystal silicon (100) substrate, the orientation of the deposited polysilicon layer strongly affects the orientation of the substrate.
Deposition conditions for growing vertically in a columnar direction with respect to the main surface of the substrate may be set.
【００４１】また、上記実施形態においては、表面電極
７となる金属薄膜として金薄膜を用いているが、金属薄
膜の材料は金に限定されるものではなく、仕事関数の小
さな金属であればよく、例えば、アルミニウム、クロ
ム、タングステン、ニッケル、白金などを用いてもよ
い。ここに、金の仕事関数は５．１０ｅＶ、アルミニウ
ムの仕事関数は４．２８ｅＶ、クロムの仕事関数は４．
５０ｅＶ、タングステンの仕事関数は４．５５ｅＶ、ニ
ッケルの仕事関数は５．１５ｅＶ、白金の仕事関数は
５．６５ｅＶである。Further, in the above embodiment, a gold thin film is used as the metal thin film to be the surface electrode 7, but the material of the metal thin film is not limited to gold, but may be any metal having a small work function. For example, aluminum, chromium, tungsten, nickel, platinum and the like may be used. Here, the work function of gold is 5.10 eV, the work function of aluminum is 4.28 eV, and the work function of chromium is 4.10 eV.
The work function of tungsten is 4.55 eV, the work function of nickel is 5.15 eV, and the work function of platinum is 5.65 eV.
【００４２】ところで、半導体部の一部を陽極酸化によ
り多孔質化する際に、導電性基板たるｎ形シリコン基板
１の主表面に垂直な方向における半導体部の多孔質化の
速度が他方向に比べ十分に高くなるようにｎ形シリコン
基板１に磁界を印加すれば、多孔質化の速度の異方性が
高められ、つまり、上記急速熱酸化によりドリフト部６
１となる部分の陽極酸化時の多孔質層の形成速度の異方
性が高められるから、ドリフト部６１の平面および深さ
方向の形状の制御性が向上し放熱部６２およびドリフト
部６１の微細なパターンを深さ方向の制御性良く形成す
ることができる。ここに、上記異方性を高めるには、ｎ
形シリコン基板１の上下に磁界を印加すればよい。When a portion of the semiconductor portion is made porous by anodic oxidation, the speed of making the semiconductor portion porous in the direction perpendicular to the main surface of the n-type silicon substrate 1 as the conductive substrate is increased in the other direction. If a magnetic field is applied to the n-type silicon substrate 1 so as to be sufficiently high, the anisotropy of the speed of making porous is increased, that is, the drift portion 6 is formed by the rapid thermal oxidation.
Since the anisotropy of the formation rate of the porous layer at the time of anodic oxidation of the portion 1 becomes high, the controllability of the shape of the drift portion 61 in the plane and the depth direction is improved, and A simple pattern can be formed with good controllability in the depth direction. Here, to increase the anisotropy, n
A magnetic field may be applied above and below the silicon substrate 1.
【００４３】（実施形態２）本実施形態の電界放射型電
子源１０は図４に示すような構成であって、その基本構
成は実施形態１と略同じなので実施形態１と相違する点
についてのみ説明する。(Embodiment 2) The field emission type electron source 10 of the present embodiment has a configuration as shown in FIG. 4, and its basic configuration is substantially the same as that of the first embodiment. explain.
【００４４】本実施形態の電界放射型電子源１０は、図
４に示す強電界ドリフト部６のうちドリフト部６１の構
造に特徴がある。すなわち、本実施形態では、ドリフト
部６１が、相対的に多孔度の高い第１のドリフト層６１
ｂと多孔度の低い第２のドリフト層６１ａとが交互に積
層された形の積層構造（マルチレイヤ構造）に形成さ
れ、ドリフト部６１の表面側には多孔度の低い第２のド
リフト層６１ａが形成されている。なお、実施形態１と
同様の構成要素には同一の符号を付して説明を省略す
る。The field emission type electron source 10 of this embodiment is characterized by the structure of the drift portion 61 of the strong electric field drift portion 6 shown in FIG. That is, in the present embodiment, the drift portion 61 is formed of the first drift layer 61 having relatively high porosity.
b and a second drift layer 61 a having a low porosity are formed in a laminated structure (multi-layer structure) in which alternately stacked second drift layers 61 a having a low porosity are provided. Are formed. Note that the same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
【００４５】しかして、本実施形態の電界放射型電子源
１０では、ドリフト部６１が上記のような多層構造に形
成されていることにより、ダイオード電流が流れ過ぎる
のをより一層抑制でき、実施形態１に比べて電子放出効
率の向上を期待できる。However, in the field emission type electron source 10 of the present embodiment, since the drift portion 61 is formed in the multilayer structure as described above, it is possible to further suppress the diode current from flowing too much. An improvement in electron emission efficiency can be expected as compared with 1.
【００４６】また、本実施形態の電界放射型電子源の製
造方法は、実施形態１で説明した製造方法と略同じであ
り、陽極酸化の条件が異なるだけである。すなわち、電
流密度の小さな第１の条件での陽極酸化処理と、電流密
度の大きな第２の条件での陽極酸化処理とを交互に繰り
返している。なお、第１の条件での陽極酸化処理が１回
終了した時点ではｎ形シリコン基板１の表面側に多孔度
の低い多孔質層が形成され、その後、第２の条件での陽
極酸化処理が終了した時点では、上記多孔度の低い多孔
質層よりもｎ形シリコン基板１側に多孔度の高い多孔質
層が形成される。The method of manufacturing the field emission type electron source according to the present embodiment is substantially the same as the manufacturing method described in the first embodiment, except for the anodic oxidation conditions. That is, the anodic oxidation treatment under the first condition with a small current density and the anodic oxidation treatment under the second condition with a large current density are alternately repeated. When the anodic oxidation treatment under the first condition is completed once, a porous layer having low porosity is formed on the surface side of the n-type silicon substrate 1, and thereafter the anodic oxidation treatment under the second condition is performed. At the end of the process, a porous layer having a higher porosity is formed on the n-type silicon substrate 1 side than the porous layer having a lower porosity.
【００４７】（実施形態３）本実施形態の電界放射型電
子源１０は図５に示すような構成であって、その基本構
成は実施形態１と略同じなので実施形態１と相違する点
についてのみ説明する。(Embodiment 3) The field emission type electron source 10 of the present embodiment has a configuration as shown in FIG. 5, and its basic configuration is substantially the same as that of the first embodiment. explain.
【００４８】本実施形態の電界放射型電子源１０は、図
５に示す強電界ドリフト部６のうちドリフト部６１の多
孔度が厚み方向に連続的に変化した層に形成されている
点に特徴がある。ここに、ドリフト部６１は、ｎ形シリ
コン基板１に近い側が高多孔度で表面に近い方が低多孔
度となり多孔度が厚み方向に連続的に変化している。な
お、実施形態１と同様の構成要素につていは同一の符号
を付して説明を省略する。The field emission type electron source 10 according to the present embodiment is characterized in that the porosity of the drift portion 61 of the strong electric field drift portion 6 shown in FIG. 5 is continuously changed in the thickness direction. There is. Here, the drift portion 61 has high porosity near the n-type silicon substrate 1 and low porosity near the surface, and the porosity continuously changes in the thickness direction. The same components as those in the first embodiment are denoted by the same reference numerals, and description thereof will be omitted.
【００４９】しかして、本実施形態の電界放射型電子源
１０では、ドリフト部６１が上記のような多孔度の連続
的に変化した層に形成されていることにより、ダイオー
ド電流が流れ過ぎるのをより一層抑制でき、実施形態１
に比べて電子放出効率の向上を図れる。In the field emission type electron source 10 according to the present embodiment, however, the drift portion 61 is formed in a layer having a continuously changed porosity as described above. Embodiment 1 can be further suppressed.
The electron emission efficiency can be improved as compared with.
【００５０】なお、本実施形態の電界放射型電子源の製
造方法は、実施形態１で説明した製造方法と略同じであ
り、陽極酸化の条件が異なるだけである。すなわち、本
実施形態では、陽極酸化の電流（電流密度）を連続的に
増加させていくことにより、実施形態１で説明した多孔
質層の多孔度が連続で変化する構造にしている。The method of manufacturing the field emission type electron source according to the present embodiment is substantially the same as the manufacturing method described in the first embodiment, except for the anodic oxidation conditions. That is, in the present embodiment, the porosity of the porous layer described in the first embodiment is continuously changed by continuously increasing the current (current density) of anodic oxidation.
【００５１】例えば、陽極酸化を開始し、時間経過とと
もに電流密度を連続的に（徐々に）増加させることによ
り、陽極酸化処理が終了した時点では、ｎ形シリコン基
板１に近い側が高多孔度で表面に近い方が低多孔度とな
り多孔度が厚み方向に連続的に変化した多孔質層が形成
され、この多孔質層に急速熱酸化を行うことにより、多
孔度が連続的に変化したドリフト部６１が形成される。For example, by starting anodic oxidation and continuously (gradually) increasing the current density with the passage of time, by the time the anodic oxidation treatment is completed, the side close to the n-type silicon substrate 1 has high porosity. A porous layer having a low porosity near the surface and having a porosity continuously changing in the thickness direction is formed, and a rapid thermal oxidation is performed on the porous layer to form a drift portion in which the porosity changes continuously. 61 are formed.
【００５２】[0052]
【発明の効果】請求項１の発明は、導電性基板と、導電
性基板の一表面側に形成された強電界ドリフト部と、該
強電界ドリフト部上に形成された金属薄膜よりなる表面
電極とを備え、表面電極を導電性基板に対して正極とし
て直流電圧を印加することにより導電性基板から注入さ
れた電子が強電界ドリフト部をドリフトし表面電極を通
して放出される電界放射型電子源であって、強電界ドリ
フト部は、導電性基板の厚み方向に直交する断面が網目
状に形成され、該網目状の網の部分に形成され上記電子
がドリフトするドリフト部と、網目状の網目の中に満た
されドリフト部よりも熱伝導性の良い放熱部とからなる
ので、強電界ドリフト部ではドリフト部で発生した熱が
放熱部を通して放熱されるから、電子放出時にポッピン
グ現象が発生せず安定して高効率で電子を放出すること
ができるという効果がある。According to the first aspect of the present invention, there is provided a surface electrode comprising a conductive substrate, a strong electric field drift portion formed on one surface side of the conductive substrate, and a metal thin film formed on the strong electric field drift portion. A field emission type electron source in which electrons injected from the conductive substrate are drifted through the strong electric field drift portion and emitted through the surface electrode by applying a DC voltage with the surface electrode as a positive electrode with respect to the conductive substrate. The strong electric field drift portion has a cross section orthogonal to the thickness direction of the conductive substrate formed in a mesh shape. The drift portion in which the electrons drift is formed in the mesh portion, and a mesh net. Since the heat dissipation part is filled in the eyes and has better thermal conductivity than the drift part, the heat generated in the drift part is radiated through the heat dissipation part in the strong electric field drift part, so the popping phenomenon occurs during electron emission. Without There is an effect that can be fixed to emit electrons with high efficiency.
【００５３】請求項２の発明は、請求項１の発明におい
て、上記ドリフト部は、導電性基板の厚み方向において
多孔度の異なる層が交互に積層された層よりなるので、
電子放出効率を高めることができるという効果がある。According to a second aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the drift portion is formed of layers in which layers having different porosity are alternately stacked in the thickness direction of the conductive substrate.
There is an effect that the electron emission efficiency can be increased.
【００５４】請求項３の発明は、請求項１の発明におい
て、上記ドリフト部は、導電性基板の厚み方向において
多孔度が連続的に変化した層よりなるので、電子放出効
率を高めることができるという効果がある。According to a third aspect of the present invention, in the first aspect of the present invention, the drift portion is made of a layer whose porosity changes continuously in the thickness direction of the conductive substrate, so that the electron emission efficiency can be improved. This has the effect.
【００５５】請求項６の発明は、請求項１ないし請求項
５の発明において、上記放熱部は、シリコン若しくはシ
リコンカーバイドの単結晶が酸化された層よりなるの
で、放熱部が高熱伝導性および電気絶縁性を有し放熱性
が向上するという効果がある。According to a sixth aspect of the present invention, in the first to fifth aspects of the present invention, the heat radiating portion is made of a layer in which a single crystal of silicon or silicon carbide is oxidized. This has the effect of having insulating properties and improving heat dissipation.
【００５６】請求項７の発明は、請求項１ないし請求項
５の発明において、上記放熱部は、シリコン若しくはシ
リコンカーバイドの多結晶が酸化された層よりなるの
で、放熱部が高熱伝導性および電気絶縁性を有し放熱性
が向上するという効果がある。According to a seventh aspect of the present invention, in the first to fifth aspects of the present invention, since the heat radiating portion is made of a layer in which polycrystal of silicon or silicon carbide is oxidized, the heat radiating portion has high thermal conductivity and electric conductivity. This has the effect of having insulating properties and improving heat dissipation.
【００５７】請求項８の発明は、請求項１ないし請求項
５の発明において、上記放熱部は、シリコン若しくはシ
リコンカーバイドのアモルファスが酸化された層よりな
るので、放熱部が高熱伝導性および電気絶縁性を有し放
熱性が向上するという効果がある。According to an eighth aspect of the present invention, in the first to fifth aspects of the present invention, the heat radiating portion is made of a layer obtained by oxidizing amorphous silicon or silicon carbide, so that the heat radiating portion has high thermal conductivity and electrical insulation. This has the effect of improving heat dissipation.
【００５８】請求項９の発明は、請求項１ないし請求項
８の発明において、上記導電性基板は、上記一表面に導
電性薄膜が形成された基板からなるので、導電性基板と
して単結晶シリコン基板などの半導体基板を用いる場合
に比べて大面積化および低コスト化が可能となるという
効果がある。According to a ninth aspect of the present invention, in the first to eighth aspects of the present invention, the conductive substrate is a substrate having a conductive thin film formed on one surface thereof. There is an effect that the area can be increased and the cost can be reduced as compared with the case where a semiconductor substrate such as a substrate is used.
【００５９】請求項１０の発明は、請求項１ないし請求
項３のいずれかに記載の電界放射型電子源の製造方法で
あって、導電性基板の一表面側の半導体部の一部を厚み
方向に沿って陽極酸化により多孔質化し、その後、半導
体部および多孔質化された半導体部を酸化することによ
り放熱部およびドリフト部を形成し、次いで、ドリフト
部と放熱部とからなる強電界ドリフト部上に金属薄膜よ
りなる表面電極を形成するので、導電性基板の一表面側
の半導体部の一部を多孔質化した後に酸化を行うことに
よりドリフト部と放熱部とを同じ半導体材料から形成す
ることができ、ドリフト部と放熱部とを最初から別々に
形成する必要がなくドリフト部と放熱部とのパターン形
状の制御が容易で、電子放出時にポッピング現象が発生
せず安定して高効率で電子を放出することが可能な電界
放射型電子源を低コストで実現することができるという
効果がある。According to a tenth aspect of the present invention, there is provided the method for manufacturing a field emission type electron source according to any one of the first to third aspects, wherein a part of the semiconductor portion on one surface side of the conductive substrate is formed to have a thickness. A porous body is formed by anodic oxidation along the direction, and then a heat dissipation part and a drift part are formed by oxidizing the semiconductor part and the porous semiconductor part, and then a strong electric field drift composed of the drift part and the heat dissipation part Since the surface electrode made of a metal thin film is formed on the part, the drift part and the heat radiation part are formed from the same semiconductor material by oxidizing after making a part of the semiconductor part on the one surface side of the conductive substrate porous. It is not necessary to separately form the drift part and the heat radiating part from the beginning, and it is easy to control the pattern shape of the drift part and the heat radiating part. In an effect that the field emission electron source capable of emitting electrons can be realized at low cost.
【００６０】請求項１１の発明は、請求項１０の発明に
おいて、上記陽極酸化を行う際に、半導体部上へ厚み方
向に直交する断面が微小な多角形状のマスクを放熱部の
形成予定領域に合わせて設けた後に陽極酸化を行うの
で、導電性基板の一表面側の半導体部のうちドリフト部
に対応する部分のみを陽極酸化により多孔質化すること
ができるという効果がある。According to an eleventh aspect of the present invention, in the tenth aspect of the present invention, when the anodic oxidation is performed, a polygonal mask having a small cross section orthogonal to the thickness direction is formed on the semiconductor portion in a region where the heat radiation portion is to be formed. Since the anodic oxidation is performed after being provided together, only the portion corresponding to the drift portion in the semiconductor portion on one surface side of the conductive substrate can be made porous by anodic oxidation.
【００６１】請求項１２の発明は、請求項１０の発明に
おいて、上記陽極酸化を行う際に、半導体部上へ厚み方
向に直交する断面が微小な円状のマスクを放熱部の形成
予定領域に合わせて設けた後に陽極酸化を行うので、導
電性基板の一表面側の半導体部のうちドリフト部に対応
する部分のみを陽極酸化により多孔質化することができ
るという効果がある。According to a twelfth aspect of the present invention, in the tenth aspect of the present invention, when performing the anodic oxidation, a circular mask having a small cross section orthogonal to the thickness direction is formed on the semiconductor portion in a region where the heat radiation portion is to be formed. Since the anodic oxidation is performed after being provided together, only the portion corresponding to the drift portion in the semiconductor portion on one surface side of the conductive substrate can be made porous by anodic oxidation.
【００６２】請求項１３の発明は、請求項１０の発明に
おいて、上記陽極酸化を行う際に、導電性基板の上記一
表面に垂直な方向における半導体部の多孔質化の速度が
他方向に比べ十分に高くなるように導電性基板に磁界を
印加するので、多孔質化の速度の異方性が高められ、つ
まり、上記多孔質化した後の酸化によりドリフト部とな
る部分の陽極酸化時の多孔質層形成速度の異方性が高め
られるから、ドリフト部の平面および深さ方向の形状の
制御性が向上し放熱部およびドリフト部の微細なパター
ンを深さ方向の制御性良く形成することができるという
効果がある。According to a thirteenth aspect of the present invention, in the tenth aspect of the present invention, when the anodic oxidation is performed, the speed of making the semiconductor portion porous in the direction perpendicular to the one surface of the conductive substrate is higher than in the other direction. Since the magnetic field is applied to the conductive substrate so as to be sufficiently high, the anisotropy of the speed of making porous is increased, that is, the portion which becomes the drift portion due to the oxidation after the above-mentioned making porous is anodized at the time of anodic oxidation. Since the anisotropy of the formation rate of the porous layer is increased, the controllability of the shape of the drift portion in the plane and the depth direction is improved, and the fine pattern of the heat radiation portion and the drift portion is formed with good controllability in the depth direction. There is an effect that can be.
【図１】実施形態１を示し、（ａ）は概略縦断面図、
（ｂ）は概略水平断面図である。FIG. 1 shows a first embodiment, in which (a) is a schematic longitudinal sectional view,
(B) is a schematic horizontal sectional view.
【図２】同上の製造方法を説明するための主要工程断面
図である。FIG. 2 is a cross-sectional view of a main process for describing the manufacturing method.
【図３】同上の製造方法を説明するためのフォトマスク
の平面図である。FIG. 3 is a plan view of a photomask for describing the manufacturing method according to the first embodiment.
【図４】実施形態２を示す概略縦断面図である。FIG. 4 is a schematic vertical sectional view showing a second embodiment.
【図５】実施形態３を示す概略縦断面図である。FIG. 5 is a schematic longitudinal sectional view showing a third embodiment.
【符号の説明】 １ ｎ形シリコン基板 ２ オーミック電極 ６ 強電界ドリフト部 ７ 表面電極 １０ 電界放射型電子源 ６１ ドリフト部 ６２ 放熱部[Description of Signs] 1 n-type silicon substrate 2 ohmic electrode 6 strong electric field drift section 7 surface electrode 10 field emission electron source 61 drift section 62 heat dissipation section
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7，ＤＢ名) H01J 1/312 H01J 9/02 H01J 31/12 H01J 33/00 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (58) Field surveyed (Int.Cl. 7 , DB name) H01J 1/312 H01J 9/02 H01J 31/12 H01J 33/00
Claims (13)
形成された強電界ドリフト部と、該強電界ドリフト部上
に形成された金属薄膜よりなる表面電極とを備え、表面
電極を導電性基板に対して正極として直流電圧を印加す
ることにより導電性基板から注入された電子が強電界ド
リフト部をドリフトし表面電極を通して放出される電界
放射型電子源であって、強電界ドリフト部は、導電性基
板の厚み方向に直交する断面が網目状に形成され、該網
目状の網の部分に形成され上記電子がドリフトするドリ
フト部と、網目状の網目の中に満たされドリフト部より
も熱伝導性の良い放熱部とからなることを特徴とする電
界放射型電子源。1. A conductive substrate comprising: a conductive substrate; a strong electric field drift portion formed on one surface side of the conductive substrate; and a surface electrode made of a metal thin film formed on the strong electric field drift portion. A field emission type electron source in which electrons injected from the conductive substrate drift in the strong electric field drift portion and are emitted through the surface electrode by applying a DC voltage as a positive electrode to the conductive substrate, and the strong electric field drift portion is a cross section perpendicular to the thickness direction of the conductive substrate is formed in a mesh shape, net-
Field emission, wherein a drift region of the eye-shaped portions are formed drift the electrons network, to become a good heat radiating portion thermal conductivity than the drift portion filled in the mesh network th Electron source.
向において多孔度の異なる層が交互に積層された層であ
ることを特徴とする請求項１記載の電界放射型電子源。2. The field emission type electron source according to claim 1, wherein the drift portion is a layer in which layers having different porosity are alternately stacked in a thickness direction of the conductive substrate.
向において多孔度が連続的に変化した層であることを特
徴とする請求項１記載の電界放射型電子源。3. The field emission type electron source according to claim 1, wherein the drift portion is a layer in which porosity changes continuously in a thickness direction of the conductive substrate.
を特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載
の電界放射型電子源。4. The field emission type electron source according to claim 1, wherein the mesh has a minute polygonal shape.
徴とする請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の電
界放射型電子源。5. The field emission type electron source according to claim 1, wherein the mesh has a minute circular shape.
ンカーバイドの単結晶が酸化された層よりなることを特
徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の電
界放射型電子源。6. The field emission type electron source according to claim 1, wherein said heat radiating portion is formed of a layer obtained by oxidizing a single crystal of silicon or silicon carbide.
ンカーバイドの多結晶が酸化された層よりなることを特
徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の電
界放射型電子源。7. The field emission type electron source according to claim 1, wherein said heat radiating portion is made of a layer obtained by oxidizing polycrystalline silicon or silicon carbide.
ンカーバイドのアモルファスが酸化された層よりなるこ
とを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれかに記
載の電界放射型電子源。8. The field emission type electron source according to claim 1, wherein said heat radiating portion is formed of a layer obtained by oxidizing silicon or amorphous silicon carbide.
薄膜が形成された基板からなることを特徴とする請求項
１ないし請求項８のいずれかに記載の電界放射型電子
源。9. The field emission type electron source according to claim 1, wherein the conductive substrate comprises a substrate having a conductive thin film formed on one surface thereof.
記載の電界放射型電子源の製造方法であって、導電性基
板の一表面側の半導体部の一部を厚み方向に沿って陽極
酸化により多孔質化し、その後、半導体部および多孔質
化された半導体部を酸化することにより放熱部およびド
リフト部を形成し、次いで、ドリフト部と放熱部とから
なる強電界ドリフト部上に金属薄膜よりなる表面電極を
形成することを特徴とする電界放射型電子源の製造方
法。10. The method for manufacturing a field emission type electron source according to claim 1, wherein a part of the semiconductor portion on one surface side of the conductive substrate is formed along an anode along a thickness direction. A heat dissipation portion and a drift portion are formed by oxidizing the semiconductor portion and the porous semiconductor portion by oxidizing the semiconductor portion and the porous semiconductor portion, and then a metal thin film is formed on the strong electric field drift portion including the drift portion and the heat dissipation portion. A method for manufacturing a field emission type electron source, comprising forming a surface electrode comprising:
へ厚み方向に直交する断面が微小な多角形状のマスクを
放熱部の形成予定領域に合わせて設けた後に陽極酸化を
行うことを特徴とする請求項１０記載の電界放射型電子
源の製造方法。11. When performing the anodic oxidation, the anodic oxidation is performed after a mask having a polygonal shape having a minute cross section orthogonal to the thickness direction is provided on the semiconductor portion in accordance with a region where the heat radiating portion is to be formed. The method for manufacturing a field emission electron source according to claim 10.
へ厚み方向に直交する断面が微小な円状のマスクを放熱
部の形成予定領域に合わせて設けた後に陽極酸化を行う
ことを特徴とする請求項１０記載の電界放射型電子源の
製造方法。12. When performing the anodic oxidation, the anodic oxidation is performed after providing a circular mask having a small cross section orthogonal to the thickness direction on the semiconductor portion in accordance with a region where the heat radiating portion is to be formed. The method for manufacturing a field emission electron source according to claim 10.
の上記一表面に垂直な方向における半導体部の多孔質化
の速度が他方向に比べ十分に高くなるように導電性基板
に磁界を印加することを特徴とする請求項１０記載の電
界放射型電子源の製造方法。13. When performing the anodic oxidation, a magnetic field is applied to the conductive substrate so that the speed of making the semiconductor portion porous in a direction perpendicular to the one surface of the conductive substrate is sufficiently higher than in the other direction. The method according to claim 10, wherein the voltage is applied.
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